超音波分散と解凝集
固体の液体への分散および解凝集は、パワー超音波およびプローブ型超音波装置の重要な用途である。超音波キャビテーションは、粒子凝集体を単一の分散粒子に分解する非常に高いせん断を生成します。その局所的な集中的な高いせん断力のために、超音波処理は、実験、研究開発、そしてもちろん工業生産のためのミルコンおよびナノサイズの分散液を製造するのに理想的です。
粉末を液体に混合することは、塗料、インク、化粧品、飲料、ハイドロゲル、研磨媒体など、さまざまな製品の配合における一般的なステップです。個々の粒子は、ファンデルワールス力や液体表面張力など、さまざまな物理的および化学的性質の引力によって一緒に保持されます。この効果は、ポリマーや樹脂などの高粘度の液体に対してより強くなります。粒子を解凝集して液体媒体に分散させるためには、引力を克服する必要があります。超音波ホモジナイザーが実験室や産業でサブミクロンおよびナノサイズの粒子を分散するための優れた分散装置である理由を以下で読んでください。
液体への固体の超音波分散
超音波ホモジナイザーの動作原理は、音響キャビテーションの現象に基づいています。音響キャビテーションは、非常に強いせん断力を含む、強い物理的力を生み出すことが知られています。機械的応力を加えると、粒子の凝集体がバラバラになります。また、粒子間で液体が押し込まれます。
一方、粉末を液体に分散させるためには、高圧ホモジナイザー、攪拌機ビーズミル、インピングジェットミル、ローターステーターミキサーなどのさまざまな技術が市販されています。しかし、超音波分散機には大きな利点があります。超音波分散がどのように機能し、超音波分散の利点が何であるかを以下でお読みください。
超音波キャビテーションと分散の動作原理
超音波処理中、高周波音波は液体媒体中に圧縮と希薄化の交互の領域を作り出します。音波が媒体を通過すると、泡が発生し、泡が急速に膨張し、激しく崩壊します。このプロセスは音響キャビテーションと呼ばれます。気泡が崩壊すると、高圧の衝撃波、マイクロジェット、せん断力が発生し、大きな粒子や凝集体が小さな粒子に分解される可能性があります。超音波分散プロセスでは、分散中の粒子自体が粉砕媒体として機能します。超音波キャビテーションのせん断力によって加速され、粒子は互いに衝突し、小さな破片に粉砕されます。超音波処理された分散液にビーズや真珠が添加されていないため、時間と労力のかかる粉砕媒体の分離と洗浄、および汚染が完全に回避されます。
これにより、超音波処理は、他の方法では分解が困難な粒子であっても、粒子を分散および解凝集するのに非常に効果的になります。これにより、粒子の分布がより均一になり、製品の品質と性能が向上します。
さらに、超音波処理は、ナノスフィア、ナノクリスタル、ナノシート、ナノファイバー、ナノワイヤ、コアシェル粒子および他の複雑な構造のようなナノ材料を容易に取り扱い、分散および合成することができる。
さらに、超音波処理は比較的短時間で行うことができ、これは他の分散技術に対する大きな利点です。
他の混合技術に対する超音波分散機の利点
超音波分散機は、高圧ホモジナイザー、ビーズミリング、ローターステーター混合などの代替混合技術に比べていくつかの利点があります。最も顕著な利点には、次のようなものがあります。
- 粒子サイズの縮小の改善: 超音波分散機は、他の多くの混合技術では不可能な粒子サイズをナノメートル範囲まで効果的に縮小することができます。これにより、微粒子サイズが重要なアプリケーションに最適です。
- より速い混合: 超音波分散機は、他の多くの技術よりも速く材料を混合および分散させることができるため、時間を節約し、生産性を向上させることができます。
- 汚染なし: 超音波分散機は、摩耗によって分散液を汚染するビーズや真珠のような粉砕媒体のauchの使用を必要としない。
- より良い製品品質: 超音波分散機は、より均一な混合物と懸濁液を生成できるため、製品の品質と一貫性が向上します。特にフロースルーモードでは、分散スラリーは高度に制御された方法で超音波キャビテーションゾーンを通過し、非常に均一な処理を保証します。
- エネルギー消費量の削減: 超音波分散機は通常、他の技術よりも必要なエネルギーが少なくて済むため、運用コストが削減されます。
- 万芸: 超音波分散機は、均質化、乳化、分散、解凝集など、幅広い用途に使用できます。また、研磨材、繊維、腐食性液体、さらにはガスなど、さまざまな材料も扱うことができます。
これらのプロセスの利点と信頼性、簡単な操作により、超音波分散機は他の混合技術を凌駕し、多くの産業用途で人気のある選択肢となっています。
あらゆるスケールでの超音波分散と解凝集
ヒールシャーは、バッチまたはインライン処理のための任意のボリュームの分散および解凝集のための超音波装置を提供しています。超音波実験装置は、1.5mLから約2Lの容量に使用されます。工業用超音波装置は、0.5Lから約2000Lのバッチ、または0.1Lから20m³/時の流量のプロセス開発と生産に使用されます。
ヒールシャー超音波工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供し、それにより、ナノスケールに粒子を確実に分散させ、粉砕することができます。最大200μmの振幅は、24/7操作で簡単に連続運転できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。
バッチボリューム | 流量 | 推奨デバイス |
---|---|---|
0.5〜1.5mL | N.A. | バイアルツイーター | 1〜500mL | 10〜200mL/分 | UP100Hの |
10〜2000mL | 20〜400mL/分 | UP200HTの, UP400セント |
0.1〜20L | 0.2 から 4L/min | UIP2000hdT |
10〜100L | 2〜10L/分 | UIP4000hdTの |
15〜150L | 3〜15L /分 | UIP6000hdT |
N.A. | 10〜100L/min | UIP16000 |
N.A. | 大きい | クラスタ UIP16000 |
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超音波分散の利点:スケールアップが容易
他の分散技術とは異なり、超音波処理は実験室から生産規模まで容易にスケールアップできます。実験室試験では、必要な機器サイズを正確に選択することができます。最終スケールで使用すると、プロセス結果はラボの結果と同じです。
超音波装置:堅牢でお手入れが簡単
超音波の力は、ソノトロードを介して液体に伝達されます。これは、通常、回転対称部品であり、固体航空機品質のチタンから機械加工されています。これは、可動/振動する唯一の接液部でもあります。摩耗しやすい唯一の部品で、数分以内に簡単に交換できます。オシレーションデカップリングフランジは、ソノトロードを任意の方向のオープンまたはクローズド加圧可能なコンテナまたはフローセルに取り付けることを可能にします。ベアリングは必要ありません。他のすべての接液部は、一般的にステンレス鋼で作られています。フローセルリアクターはシンプルな形状で、フラッシングや拭き取りなど、簡単に分解して洗浄できます。小さなオリフィスや隠れた角はありません。
超音波洗浄機を所定の位置に
超音波は、表面、部品の洗浄など、その洗浄アプリケーションでよく知られています。分散アプリケーションに使用される超音波強度は、一般的な超音波洗浄よりもはるかに高いです。超音波装置の接液部の洗浄に関しては、超音波/音響キャビテーションがソノトロードおよびフローセル壁から粒子および液体残留物を除去するため、超音波電力を使用してフラッシングおよびすすぎ中の洗浄を支援することができる。
文献/参考文献
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- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.